WLAN X Sistemas Móveis Celulares

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1 WLAN X Sistemas Móveis Celulares Este tutorial apresenta os conceitos básicos do WLAN e suas principais aplicações, com uma pequena abordagem de sua característica complementar aos sistemas móveis celulares. Marilson Duarte Soares Engenheiro de Telecomunicações com onze anos de experiência na área de rádio e sistemas móveis celulares. Duração estimada: 20 minutos Publicado em: 02/02/

2 WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Introdução Wireless Local Area Networking é uma tecnologia desenvolvida ao longo da década de 90, com os trabalhos do Institute of Eletrical and Electronics Engineers - IEEE, mas ainda em fase de amadurecimento, principalmente em questões relacionadas com qualidade de serviço e segurança. No primeiro momento, essa tecnologia visava a simples interligação de computadores nas residências e pequenos escritórios com taxas até 2Mbit/s, usando espalhamento espectral através da técnica conhecida como Frequency Hopping - FH. Porém, com as melhorias alcançadas nas taxas de transmissão que ultrapassaram os 10Mbit/s, com a adoção do espalhamento através do Direct Sequence - DS e a técnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM, o aumento do interesse de outros mercados para outras aplicações passou a ser uma rotina, logo começamos a observar tais redes substituindo projetos de cabeamento estruturado no mercado corporativo ou conectando prédios de grandes empresas. Figura 1: Primeiras redes WLAN. A partir de 2000, a criatividade do homem gerou novas aplicações denominadas de hotspots que passaram a ocupar espaços em centros de convenções, hotéis, shopping, restaurantes, "coffee shops" e aeroportos, dando início a uma nova era, com aplicações voltadas aos serviços públicos de acesso à Internet, criando a sigla PWLAN (Pública WLAN). Essa aplicação criou uma falsa sensação de competição com a terceira geração de telefonia móvel. O começo do WLAN no mundo Em 1985, com o objetivo de estimular a produção e o uso dos produtos para redes sem fio, o Federal Communications Commission - FCC modificou parte do espectro de freqüências, criando faixas para que os equipamentos pudessem operar sem a obrigatoriedade de uma licença para uso do espectro que é solicitada junto ao órgão regulador, só necessitando o produto ser homologado /certificado pelo fabricante. 2

3 Com essa alteração os equipamentos apareceram em lojas de produtos eletrônicos com preços acessíveis e os usuários puderam instalar rapidamente seus computadores e suas redes de computadores, nas residências ou nos escritórios, evitando o emaranhado de fios espalhados por todos os lados. As faixas não licenciadas apresentam atrativos quando pensamos em reduzir custos e tempo de implantação, mas como todos podem instalar os seus equipamentos em qualquer lugar e a qualquer momento, o perigo com interferências, passa a ser um grande limitante para a tecnologia, que acaba não garantindo qualidade na prestação do serviço, podendo o mesmo gerar taxas de dados abaixo dos valores indicados pelos fabricantes, tornando mais fácil "frustrar" as expectativas do usuário. 3

4 WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Mercados Privado/Público Aplicações no mercado privado das WLANs As redes podem funcionar em ambientes indoor (escritórios, residências, lojas, etc..) ou outdoor (lugares abertos, como interligações de prédios) e apresentam aplicações tanto residenciais quanto corporativas, sendo encontradas principalmente na substituição de cabos em empresas, pequenos escritórios, ou na moradia de um consumidor. Nesses casos, todas as aplicações são de responsabilidade do usuário e não de uma operadora ou provedor de serviços de telecomunicações, portanto, problemas com falta de segurança, interferências e queda na taxa de transmissão de dados com o passar do tempo, deverão ser administradas pelo próprio usuário que poderá achar uma faixa com menor intensidade de problemas ou desativar sua rede. Figura 2: Aplicação indoor para residências ou mercado corporativo. A transmissão outdoor, ligando prédios de uma empresa com até 10 Km de distância na faixa de 2.4 GHz, é utilizada para automatização de processos em fábricas, geralmente interligando galpões para controle e envio de informações ou conectando redes de computadores em prédios distintos. Vale ressaltar que nestes ambientes os sistemas ficam mais sujeitos a interferência e as condições adversas de propagação, reduzindo suas taxas de transmissão abaixo de 50% do valor apresentado por equipamentos operando em um ambiente indoor. 4

5 Figura 3: Aplicação indoor para residências ou mercado corporativo. Aplicações no mercado público das WLANs (PWLAN) Nos últimos anos, as redes WLANs oferecidas por operadoras ou provedores especializados aos usuários de laptops ou PDAs, em locais públicos, passaram a fazer parte do dia a dia dos executivos no mundo. Porém, observa-se uma diferença de preferências entre os países, relacionada aos locais para uso dos dispositivos, podendo este fato, alterar sensivelmente, a quantidade de pontos de acesso em cada país no médio e longo prazo. A aplicação do WLAN em lugares públicos passou a ser conhecida como PWLAN e os pontos de acesso à Internet como hotspots, sendo essas aplicações observadas atualmente nas faixas de 2.4 GHz e 5GHz, possuindo como característica básica acesso a Internet em alta velocidade com pequenas áreas de coberturas, ou seja, raios menores que 120 metros, limitando a mobilidade dos usuários. 5

6 As faixas para WLAN ou PWLAN WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Faixas de Freqüências As faixas destinadas para essas aplicações são conhecidas como Industrial, Scientific, and Medical bands - ISM e foram adotadas por diversos países, tendo sido a primeira em 900MHz (902 até 928MHz), a segunda em 2.4 GHz (2400 até MHz) e a última em 5 GHz. Atualmente o Brasil está atualizando a Resolução 305 da ANATEL, nas partes referentes a 2.4 e 5 GHz, disponibilizando a distribuição apresentada na figura 4. Figura 4: Faixas de freqüências para WLAN no Brasil. WLAN em 900MHz A faixa de 900 MHz apresentou um rápido desenvolvimento de produtos utilizando basicamente a tecnologia Frequency Hopping - FH, que trabalha com saltos de freqüência, espalhando a informação ao longo do tempo e alcançando taxas de dados até 2Mbit/s. Figura 5: Esquema básico de um Frequency Hopping. 6

7 A faixa utilizada em 900MHz possuía dois limitantes graves para a expansão do WLAN. O primeiro era a largura de 26MHz, que limitava o número de usuários e suas taxas de transmissão. O segundo estava relacionado com a quantidade de outros serviços utilizando a mesma faixa, ou seja, além da interferência dos usuários do próprio WLAN em 900MHz, várias outras fontes de interferência acabavam dificultando a operação dos computadores com tecnologia sem fio, tornando a qualidade do serviço impraticável. Entre as fontes de interferência, pode-se rapidamente citar: rádios ponto-a-ponto no serviço fixo, telefones sem fio, rádios "spread spectrum" em configuração ponto-a-ponto e ponto-multiponto, radioamador, equipamentos de telemedição, emissor-sensor de variação de campo eletromagnético, sistemas móveis celulares, fornos velhos de microondas, fornos industriais de 50kW até 100kW, etc... WLAN /PWLAN em 2.4GHz Com os limitantes apresentados na faixa de 900MHz, a demora na utilização de uma outra faixa poderia implicar no fracasso comercial de tais sistemas. Dessa forma, o IEEE desenvolveu um padrão conhecido como b, baseado no modelo Open Systems Interconection - OSI e operando na faixa de 2.4GHz, inserindo no lugar do Frequency Hopping o Direct Sequence que aumentou a eficiência espectral elevando as taxas de dados até 11Mbit/s, mas com valores médios reais de 4Mbit/s até 6Mbit/s na transmissão das informações dos usuários em ambientes indoor e taxas menores que 4Mbit/s para ambientes outdoor. Os equipamentos b, também são conhecidos como Wi-Fi, marca promovida pela Wireless Ethernet Compatibility Alliance - WECA, organização sem fins lucrativos, criada em 1999, em Santa Clara, nos EUA. Sua missão é certificar a interoperabilidade de tais produtos e promover o Wi-Fi como padrão para implementação de redes locais sem fio em todos os segmentos, representam mais de 70% do mercado e deverão permanecer por um bom tempo nos computadores de milhares de usuários. Outro padrão começa a aparecer no cenário de 2.4GHz, apresentando uma evolução na transmissão de dados, o IEEE g, que alcança uma taxa de 54Mbit/s, trabalha com OFDM distribuindo a informação sobre um grande número de portadoras espaçadas de tal forma que acabam fornecendo uma característica de ortogonalidade. Suas principais vantagens estão relacionadas com o aumento da eficiência espectral, minimização das interferências e baixa distorção por multi-percurso. Os equipamentos g possuem compatibilidade com os b, fornecendo facilidades para executar um "up-grade" em uma rede já em operação, pois computadores com o novo padrão podem ser adicionados à rede sem a necessidade de troca das placas dos demais computadores, sendo possível trabalharmos com alguns PC's em 11Mbit/s e outros com 54Mbit/s. 7

8 Figura 6: Padrões em 2.4GHz. A faixa de 2400 até GHz, não é totalmente aceita por alguns países, gerando limitações no uso mundial dos equipamentos. Entre os casos que se destacam, pode-se citar a França e a Inglaterra, onde no primeiro país, a regulamentação visa praticamente a liberação do uso do Bluetooth que opera na mesma faixa e com potências mais baixas, sendo o uso do PWLAN em qualquer ambiente ou do WLAN em ambientes outdoor permitidos somente com a autorização do Ministério da Defesa. Na Inglaterra a restrição passa a ser em relação aos sistemas PWLANs, pois equipamentos comprados para uso privado, residencial ou escritórios, não necessitam de licenças e equipamentos comprados para oferecer serviços públicos são obrigados a possuir licenças para entrar em operação. Território Tabela 1: Utilização do 2.4 GHz nos continentes. Freqüência (GHz) Espanha França Banda (MHz) Resto da Europa Japão EUA Canadá Brasil

9 WLAN /PWLAN em 5GHz O futuro do WLAN /PWLAN está na evolução dos equipamentos para a faixa de 5GHz que apresenta uma maior banda, com melhores condições para transmissão e taxas que podem variar de 20Mbit/s até 54Mbit/s, em conjunto com um maior número de usuários, além de minimizar os problemas relacionados com interferências e qualidade de serviço (QoS) apresentados nas faixas de 900MHz e 2.4GHz. Nessa nova faixa podemos observar um sinal com baixa capacidade de ultrapassar obstáculos, além de uma rápida atenuação com a distância da fonte transmissora, facilitando a reutilização da mesma freqüência por vários usuários em distâncias que ultrapassem 30 metros, ou por usuários em salas diferentes separados apenas por paredes em um mesmo andar. O problema em 5GHz começa a ser a divisão do mercado criada pela adoção de diferentes padrões e faixas de operação em regiões como as Américas, a Europa e o Japão. No IEEE temos o desenvolvimento do padrão a com taxas até 54Mbit/s. Na Europa, o European Telecommunications Standards Institute - ETSI participa do desenvolvimento dos padrões Hiperlan1, com taxas até 20Mbit/s, e o Hiperlan2, com taxas até 54Mbit/s. No Japão temos o desenvolvimento do HisWAN. Um ponto de grande importância para o futuro dessa tecnologia na faixa de 5GHz ocorreu na World Radiocommunication Conference of WRC2003, onde todos buscaram uma harmonização global das freqüências, levando em consideração os sistemas de satélites e radares que também operam na faixa. Nesse caso, foi decidido que os três blocos usados pela Europa vão ser considerados como padrão mundial, sendo a faixa de 5150 até 5350 MHz definida apenas para uso indoor e a faixa de 5470 até 5725MHz será usada para aplicações indoor ou outdoor. O Brasil está seguindo essa definição do WRC2003 e deverá fixar as faixas de 5GHz seguindo o modelo do ITU apresentado na figura

10 WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Padrões e Aplicações Um rápido resumo dos padrões para WLAN Os sistemas wireless e suas reais aplicações Não podemos confundir as aplicações das redes wireless para não criarmos idéias erradas de competição. A rede PWLAN atinge um nicho de mercado, sendo sua proposta de valor agregado relacionada com acesso à Internet ou Intranet, com segurança e qualidade questionáveis, além de uma mobilidade restrita a área do hotspot, podendo girar em torno de 30 metros para a faixa de 5GHz e 100 metros para a faixa de 2.4GHz. O grande atrativo do PWLAN é basicamente o preço baixo e a facilidade de implementação pela não obrigatoriedade do uso de licenças. O Bluetooth também apresenta seu nicho de mercado, funcionando com uma tecnologia similar ao WLAN/PWLAN e operando na mesma faixa de 2.4GHz, visa conectar aparelhos para transmissão de grande quantidade de dados em distâncias menores que 10 metros, já utilizados em impressoras, telefones, fones de ouvido, etc.. As redes móveis celulares possuem uma proposta de valor agregado mais abrangente que os sistemas PWLAN, Wi-Fi ou Bluetooth, pois além dos serviços de acesso à Internet e Intranet, com uma área de cobertura de proporções bem maiores e com garantias de segurança e qualidade de serviço (QoS), também oferecem serviços diferenciados relacionados aos terminais móveis e sua mobilidade, como podemos observar na figura

11 Figura 7: Categorias de serviços para redes móveis - visão UMTS. Operadoras móveis, visando uma atuação mais forte junto aos usuários corporativos, podem combinar os sistemas celulares e PWLAN, uma vez que é possível equipar laptops com ambas as interfaces aéreas, sendo muito comum encontrarmos no mercado placas que operam com WLAN e GPRS. Essa solução não integra os dois sistemas, mas possibilita que o usuário no primeiro momento possa escolher a rede e a velocidade que pretende trabalhar. Especificações técnicas estão em fase de desenvolvimento no 3GPP buscando um "interworking" das redes PWLAN e GSM/UMTS, fornecendo para o ambiente de acesso PWLAN os serviços e funcionalidades da rede móvel celular. Dessa forma, o usuário PWLAN poderá ter um roaming entre hotspots facilitado, uma única conta integrando serviços celulares e PWLAN e no futuro próximo um handover entre redes de forma transparente para o usuário, ou seja, sem perda de conexão à Internet ou Intranet, quando o laptop estiver em movimento saindo da cobertura fornecida por um hotspot e entrando na cobertura da rede móvel. As redes wireless podem ser analisadas por suas áreas de cobertura e capacidades de tráfego, na figura 8, temos de forma clara as reais diferenças e prováveis aplicações de cada rede. 11

12 Figura 8: Aplicações wireless (cobertura x taxa). 12

13 WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Considerações Finais O mundo WLAN/PWLAN, para realmente atingir um nível industrial adequado, ainda vai ter de avançar um pouco em questões como segurança, qualidade de serviço (QoS), uso de freqüências apropriadas e "interworking" com redes móveis celulares. Esse interworking poderá minimizar os problemas apresentados pela tecnologia para avançar no mercado corporativo que não aceita muito a mobilidade restrita, além de facilitar o "billing" integrado entre os dois sistemas. Seus serviços concentrados em acesso à Internet e Intranet com grandes taxas de transmissão complementam as tecnologias celulares que apresentam uma série de outros serviços relacionados ao celular e a mobilidade ampla de uma rede móvel, rede essa que no final poderá ser a salvação para minimizar a mobilidade restrita do PWLAN que possui grandes dúvidas quanto a um modelo de negócio rentável. Uma rede PWLAN sendo usada por uma operadora de telecomunicação apresenta uma certa preocupação pelos órgãos reguladores em várias partes do mundo, principalmente sobre a qualidade de serviço (QoS) entregue aos usuários, gerando em alguns países uma vontade maior de exigir licenças para instalação de tais equipamentos, ou seja, em aplicações públicas, as idéias de facilidade de instalação e rápido aumento do número de hotspots poderá em determinadas localidades não ser mais verdadeira. Referências IEEE Institute of Eletrical and Electronics Engineers 3GPP Responsável pela padronização da evolução do GSM para 3G. ETSI Desenvolveu as normas para o GSM. É possível fazer download gratuito das normas. GSM WORLD Site da associação GSM. GSA Site da Associação dos fabricantes mundiais de GSM - (Global Mobile Supplier Association). Siemens Um dos principais fabricantes de redes móveis e terminais no padrão GSM / GPRS / EDGE /UMTS. Wireless BR Seção com vários artigos sobre tecnologias móveis. 13

14 WLAN X Sistemas Móveis Celulares: Teste seu Entendimento 1) O que é WLAN? Tecnologia desenvolvida pelo IEEE para interconectar computadores. Tecnologia que utiliza espalhamento espectral e opera apenas em 2.4GHz. Rede sem fio utilizada somente em residências. Tecnologia que permite transmissão até 2Mbit/s. Tecnologia que possui como maior representante o bluetooth. 2) Qual a taxa de transmissão e freqüência do IEEE A? 2Mbit/s e 5GHz 11 Mbit/s e 900 MHz. 54 Mbit/s e 2.4 GHz. 54 Mbit/s e 5 GHz. 11 Mbit/s e 2.4 GHz. 3) Linha de padronização das WLANs relacionada com qualidade de serviço? IEEE 802.D. IEEE 802.I. IEEE 802.X. IEEE 802.F. IEEE 802.E 4) Problemas minimizados com a introdução do 5GHz no WLAN? Interferências e número de usuários com maior taxa de dados. Interworking com redes celulares e interferências. Baixa mobilidade dos usuários e billing com a rede celular. Cobertura idêntica as redes móveis e aumento das taxas de dados. Evolução do espalhamento espectral com o Frequency Hopping e interferências. 14